KR101183645B1 - 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템 및 그 방법 - Google Patents

카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 항공기에 고정된 카메라를 이용하여 피사체의 모서리를 추출하고, 모서리에 대한 가상선을 이용하여 모서리의 각도를 추출하며, 시간 흐름에 따라 각도 변화를 가지는 모서리에 대하여 각도 변화량을 산출한 후, 산출된 각도 변화량을 바탕으로 항공기의 자세를 측정하는 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 항공기에 고정 설치되어 있어, 비행 중 각 방향의 영상을 촬영하는 카메라 장치; 및 상기 카메라 장치를 통해 입력된 영상정보를 바탕으로 피사체 모서리의 각도 변화량을 산출하고, 각도 변화량을 이용하여 항공기의 자세를 측정하는 자세 측정장치; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR MEASURING ATTITUDE OF AIRCRAFT USING CAMERA AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 항공기 자세 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, IMU 및 다른 관성센서를 사용하지 않고 항공기에 설치된 다수의 카메라 영상을 이용하여 항공기의 자세를 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
자세를 측정하는 방법으로 보통 각속도계와 가속도계 및 관성센서를 사용하는데, 이러한 센서 측정값들을 계산하여 대상 물체의 자세를 알 수 있다.
주지된 바와 같이, IMU(Inertial Measurement Unit)는 항공기의 자세 측정 및 위치 계산에 사용하는 대표적인 장비이다. IMU는 보통 가속도계와 각속도계로 구성되어 있고, 가속도 정보를 두 번 적분하면 위치 성분이 나와 거리 측정에도 사용한다. 센서의 오차 성분을 적분하게 되면 오차가 누적되어 결과 값은 점차 실제 값과 큰 차이를 보이게 된다. IMU의 성능에 따라 발산 정도가 차이 나며 저가형 IMU는 그 발산 정도가 크게 나타난다.
무인 항공기는 비행체에 설치된 각종 센서들의 측정값들을 통합하여 항공기가 진행할 방향 및 자세를 스스로 제어하는 자동 항법 시스템이 중요하기 때문에 비행체의 자세 측정은 중요한 기술이다. 이에 따라, 자세 변화를 측정할 수 있는 대표적인 장비인 IMU는 필수 장비로 인식되고 있고, 각속도와 가속도의 센서 값을 측정하여 항공기의 자세 변화를 알 수 있다. 하지만 항법에 사용 가능한 고성능 IMU는 고가의 장비로 분류되고 가격에 따라 IMU의 성능이 좌우되며 무인항공기의 성능이 좌우되기도 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 항공기에 고정된 카메라를 이용하여 피사체의 모서리를 추출하고, 모서리에 대한 가상선을 이용하여 모서리의 각도를 추출하며, 시간 흐름에 따라 각도 변화를 가지는 모서리에 대하여 각도 변화량을 산출한 후, 산출된 각도 변화량을 바탕으로 항공기의 자세를 측정하는 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템에 관한 것으로서, 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템에 있어서, 항공기에 고정 설치되어 있어, 비행 중 각 방향의 영상을 촬영하는 카메라 장치; 및 상기 카메라 장치를 통해 입력된 영상정보를 바탕으로 피사체 모서리의 각도 변화량을 산출하고, 각도 변화량을 이용하여 항공기의 자세를 측정하는 자세 측정장치; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 카메라 장치는, 4방위(동, 서, 남, 북)를 촬영할 수 있도록 각 방향에 고정 설치된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 자세 측정장치는, 상기 카메라 장치로부터 실시간으로 영상정보를 수신하여, 입력 시간정보를 첨부하여 저장하는 영상정보 입력부; 상기 영상정보로부터 피사체의 모서리를 추출하고, 모서리에 대한 가상선을 생성하는 모서리 추출부; 상기 가상선을 이용하여 모서리의 각도를 추출하는 각도 추출부; 시간 흐름에 따라 각도 변화를 가지는 모서리의 가상선에 대하여 각도 변화량을 산출하는 각도 변화량 산출부; 및 상기 각도 변화량 산출부(240)를 통해 산출된 각도 변화량을 바탕으로, 항공기의 피치, 롤 및 요 축 성분의 자세를 측정하는 자세 측정부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 가상선은, 좌우 방향으로 소정 길이 연장된 수평선(a) 및 상하 방향으로 소정 길이 연장된 수직선이 결합된 가상선으로서, 피사체의 수평부분 및 수직부분이 상기 수평선 및 수직선과 매칭되도록 생성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 각도 변화량 산출부는, 상기 영상정보 입력부로부터 특정시간 이전과 이후에 대한 영상정보를 취득하여, 동일 모서리에 대한 두 가상선의 각도를 비교함으로써 각도가 변화되었는지 여부를 판단하고, 각도가 변화된 경우, 각도의 변화량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 방법에 관한 것으로서, (a) 항공기에 고정 설치된 카메라 장치가 비행 중 각 방향의 영상을 촬영하는 과정; (b) 자세 측정장치가 상기 카메라 장치로부터 실시간으로 영상정보를 수신하여, 입력 시간정보를 첨부하여 저장하는 과정; 및 (c) 상기 자세 측정장치가 상기 카메라 장치를 통해 입력된 영상정보를 바탕으로 피사체 모서리의 각도 변화량을 산출하고, 각도 변화량을 이용하여 항공기의 자세를 측정하는 과정; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (c) 과정은, (c-1) 상기 자세 측정장치가 영상정보로부터 피사체의 모서리를 추출하고, 모서리에 대한 가상선을 생성하는 단계; (c-2) 상기 자세 측정장치가 상기 가상선을 이용하여 모서리의 각도를 추출하는 단계; (c-3) 상기 자세 측정장치(200)가 특정시간 이전과 이후에 대한 영상정보를 취득하여, 동일 모서리에 대한 두 가상선의 각도를 비교함으로써 각도가 변화되었는지 여부를 판단하는 단계; (c-4) 상기 (c-3) 단계의 판단결과, 각도가 변화된 경우, 상기 자세 측정장치가 각도의 변화량을 산출하는 단계; 및 (c-5) 상기 자세 측정장치가 상기 각도 변화량을 바탕으로, 항공기의 피치, 롤 및 요 축 성분의 자세를 측정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 (c-3) 단계의 판단결과, 각도가 변화되지 않은 경우, 상기 자세 측정장치가 상기 (a) 과정으로 절차를 이행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 기존의 IMU 및 기타 관성센서 없이 항공기의 자세를 측정함으로써, 고가의 센서 장비를 구입하지 않고 항공기의 자세를 측정할 수 있는 효과도 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 카메라 장치의 영상정보를 이용하여 기존의 고정형 CCTV를 대신하여 이동형 CCTV의 역할도 수행할 수 있어, CCTV의 사각지역 및 협소 지역 위험 지역으로 이동하여 주변 환경을 정찰할 수 있는 효과도 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템(S)을 개념적으로 도시한 전체 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 모서리 각도 변화를 검출하기 위한 가상선을 보이는 일예시도.
도 3 은 본 발명에 따른 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 방법에 관한 전체 흐름도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템에 관하여 도 1 내지 도 2 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템(S)을 개념적으로 도시한 전체 구성도로서, 도시된 바와 같이 카메라 장치(100) 및 자세 측정장치(200)를 포함하여 이루어지며, 본 발명에 따른 카메라 장치(100) 및 자세 측정장치(200)는 비행체인 항공기에 탑재되어 있다.
카메라 장치(100)는 항공기(10)에 고정 설치되어 있어, 비행 중 각 방향의 영상을 촬영한다.
본 실시예에서, 카메라 장치(100)는 4방위(동, 서, 남, 북)를 촬영할 수 있도록 각 방향에 고정 설치된 것으로 설정하였으나, 본 발명이 그 위치 및 개수에 한정되지 않는다.
자세 측정장치(200)는 상기 카메라 장치(100)를 통해 입력된 영상정보를 바탕으로 피사체 모서리의 각도 변화량을 산출하고, 각도 변화량을 이용하여 항공기의 자세를 측정하는 기능을 수행하는 바, 상기 도 1 에 도시된 바와 같이 영상정보 입력부(210), 모서리 추출부(220), 각도 추출부(230), 각도 변화량 산출부(240) 및 자세 측정부(250)를 포함한다.
영상정보 입력부(210)는 실시간으로 영상정보를 수신하여, 입력 시간정보를 첨부하여 저장한다.
모서리 추출부(220)는 영상정보로부터 피사체의 모서리를 추출하고, 모서리에 대한 가상선(20)을 생성한다.
이때, 가상선(20)은 도 2 에 도시된 바와 같이, 좌우 방향으로 소정 길이 연장된 수평선(21) 및 상하 방향으로 소정 길이 연장된 수직선(22)이 결합된 가상선으로서, 피사체의 수평부분 및 수직부분이 상기 수평선(21) 및 수직선(22)과 매칭되도록 생성된다.
각도 추출부(230)는 상기 가상선(20)을 이용하여 모서리의 각도를 추출한다.
각도 변화량 산출부(240)는 시간 흐름에 따라 각도 변화를 가지는 모서리의 가상선에 대하여 각도 변화량을 산출한다.
즉, 각도 변화량 산출부(240)는 영상정보 입력부(210)로부터 특정시간 이전과 이후에 대한 영상정보를 취득하여, 동일 모서리에 대한 두 가상선의 각도를 비교함으로써 각도가 변화되었는지 여부를 판단하고, 각도가 변화된 경우, 각도의 변화량을 산출한다.
상기 도 2 에는, 동일 모서리에 대한 특정시간 이전의 가상선(a) 및 동일 모서리에 대한 특정시간 이후의 가상선(b)을 보이고 있다.
본 실시예에서, a 를 특정시간 이전의 가상선으로, b 를 특정시간 이후의 가상선으로 설정하였으나, 본 발명의 기술사상은 두 가상선의 각도를 비교함에 있으므로, b 를 특정시간 이전의 가상선으로, a 를 특정시간 이후의 가상선으로 설정할 수도 있다.
앞서 서술한 바와 같이, 영상정보 입력부(210)는 입력 시간정보를 첨부하여 영상정보를 저장하기 때문에, 각도 변화량 산출부(240)는 영상정보 입력부(210)로부터 특정시간 이전과 이후에 대한 영상정보를 취득할 수 있다.
자세 측정부(250)는 상기 각도 변화량 산출부(240)를 통해 산출된 각도 변화량을 바탕으로, 항공기(10)의 피치(Pitch), 롤(Roll) 및 요(Yaw) 축 성분의 자세를 측정한다.
본 발명에 따른 항공기 자세 측정 시스템은, 비행체인 항공기에 탑재되어, 항공기의 자세를 측정한다. 또한, 각 방향의 영상을 촬영하는 카메라 장치(100)는 항공기(10)의 각 방향에 고정 설치되어 있다.
즉, 항공기(10)에 고정된 카메라 장치(100)의 움직임은 항공기(10)의 움직임인 것이다. 이에 따라, 카메라 장치(100)를 통한 피사체의 동일 모서리에 대한 두 가상선의 각도 변화량은, 항공기(10) 자체의 자세 변화로 설정되어, 피사체의 모서리 각도의 변화량이 항공기의 자세 측정정보로서 활용될 수 있다.
이하에서는, 상술한 시스템을 이용한 항공기 자세 측정 방법에 관하여 도 3 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3 은 본 발명에 따른 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 방법에 관한 전체 흐름도로서, 도시된 바와 같이 항공기(10)의 4방위에 고정 설치된 카메라 장치(100)는 비행 중 각 방향의 영상을 촬영한다(S10).
이후, 자세 측정장치(200)의 영상정보 입력부(210)는 상기 카메라 장치(100)로부터 실시간으로 영상정보를 수신하여, 입력 시간정보를 첨부하여 저장한다(S20).
자세 측정장치(200)의 모서리 추출부(220)는 영상정보로부터 피사체의 모서리를 추출하고, 모서리에 대한 가상선(20)을 생성한다(S30).
앞서 서술한 바와 같이, 상기 가상선(20)은 좌우 방향으로 소정 길이 연장된 수평선(a) 및 상하 방향으로 소정 길이 연장된 수직선(b)이 결합된 가상선(20)으로서, 자세 측정장치(200)의 각도 추출부(230)는 상기 가상선(20)을 이용하여 모서리의 각도를 추출한다(S40).
이후, 자세 측정장치(200)의 각도 변화량 산출부(240)는 영상정보 입력부(210)로부터 특정시간 이전과 이후에 대한 영상정보를 취득하여 동일 모서리에 대한 두 가상선의 각도를 비교함으로써 각도가 변화되었는지 여부를 판단한다(S50).
제S50 단계의 판단결과, 각도가 변화된 경우, 각도 변화량 산출부(240)는 각도의 변화량을 산출한다(S60).
이후, 자세 측정장치(200)의 자세 측정부(250)는 상기 각도 변화량 산출부(240)를 통해 산출된 각도 변화량을 바탕으로, 항공기(10)의 피치(Pitch), 롤(Roll) 및 요(Yaw) 축 성분의 자세를 측정한다(S70).
한편, 상기 제S50 단계의 판단결과, 각도가 변화되지 않은 경우, 자세 측정장치(200)의 각도 변화량 산출부(240)는 제S10 단계로 절차를 이행한다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
S: 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템
100: 카메라 장치 200: 자세 측정장치
210: 영상정보 입력부 220: 모서리 추출부
230: 각도 추출부 240: 각도 변화량 산출부
250: 자세 측정부 10: 항공기
20: 가상선

Claims (9)

  1. 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템에 있어서,
    항공기(10)에 고정 설치되어 있어, 비행 중 각 방향의 영상을 촬영하는 카메라 장치(100); 및
    상기 카메라 장치(100)를 통해 입력된 영상정보를 바탕으로 피사체 모서리의 각도 변화량을 산출하고, 각도 변화량을 이용하여 항공기의 자세를 측정하는 자세 측정장치(200); 를 포함하되,
    상기 자세 측정장치(200)는,
    상기 카메라 장치(100)로부터 실시간으로 영상정보를 수신하여, 입력 시간정보를 첨부하여 저장하는 영상정보 입력부(210);
    상기 영상정보로부터 피사체의 모서리를 추출하고, 모서리에 대한 가상선(20)을 생성하는 모서리 추출부(220);
    상기 가상선(20)을 이용하여 모서리의 각도를 추출하는 각도 추출부(230);
    시간 흐름에 따라 각도 변화를 가지는 모서리의 가상선에 대하여 각도 변화량을 산출하는 각도 변화량 산출부(240); 및
    상기 각도 변화량 산출부(240)를 통해 산출된 각도 변화량을 바탕으로, 항공기(10)의 피치(Pitch), 롤(Roll) 및 요(Yaw) 축 성분의 자세를 측정하는 자세 측정부(250); 를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 가상선(20)은,
    좌우 방향으로 소정 길이 연장된 수평선(21) 및 상하 방향으로 소정 길이 연장된 수직선(22)이 결합된 가상선으로서, 피사체의 수평부분 및 수직부분이 상기 수평선(21) 및 수직선(22)과 매칭되도록 생성되는 것을 특징으로 하는 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 카메라 장치(100)는,
    4방위(동, 서, 남, 북)를 촬영할 수 있도록 각 방향에 고정 설치된 것을 특징으로 하는 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도 변화량 산출부(240)는,
    상기 영상정보 입력부(210)로부터 특정시간 이전과 이후에 대한 영상정보를 취득하여, 동일 모서리에 대한 두 가상선의 각도를 비교함으로써 각도가 변화되었는지 여부를 판단하고, 각도가 변화된 경우, 각도의 변화량을 산출하는 것을 특징으로 하는 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 시스템.
  6. 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 방법에 있어서,
    (a) 항공기(10)에 고정 설치된 카메라 장치(100)가 비행 중 각 방향의 영상을 촬영하는 과정;
    (b) 자세 측정장치(200)가 상기 카메라 장치(100)로부터 실시간으로 영상정보를 수신하여, 입력 시간정보를 첨부하여 저장하는 과정; 및
    (c) 상기 자세 측정장치(200)가 상기 카메라 장치(100)를 통해 입력된 영상정보를 바탕으로 피사체 모서리의 각도 변화량을 산출하고, 각도 변화량을 이용하여 항공기의 자세를 측정하는 과정; 을 포함하되,
    상기 (c) 과정은,
    (c-1) 상기 자세 측정장치(200)가 영상정보로부터 피사체의 모서리를 추출하고, 모서리에 대한 가상선(20)을 생성하는 단계;
    (c-2) 상기 자세 측정장치(200)가 상기 가상선(20)을 이용하여 모서리의 각도를 추출하는 단계;
    (c-3) 상기 자세 측정장치(200)가 특정시간 이전과 이후에 대한 영상정보를 취득하여, 동일 모서리에 대한 두 가상선의 각도를 비교함으로써 각도가 변화되었는지 여부를 판단하는 단계;
    (c-4) 상기 (c-3) 단계의 판단결과, 각도가 변화된 경우, 상기 자세 측정장치(200)가 각도의 변화량을 산출하는 단계; 및
    (c-5) 상기 자세 측정장치(200)가 상기 각도 변화량을 바탕으로, 항공기(10)의 피치(Pitch), 롤(Roll) 및 요(Yaw) 축 성분의 자세를 측정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 가상선(20)은,
    좌우 방향으로 소정 길이 연장된 수평선(21) 및 상하 방향으로 소정 길이 연장된 수직선(22)이 결합된 가상선으로서, 피사체의 수평부분 및 수직부분이 상기 수평선(21) 및 수직선(22)과 매칭되도록 생성되는 것을 특징으로 하는 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 방법.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (c-3) 단계의 판단결과, 각도가 변화되지 않은 경우,
    상기 자세 측정장치(200)가 상기 (a) 과정으로 절차를 이행하는 것을 특징으로 하는 카메라를 이용한 항공기 자세 측정 방법.

  9. 삭제
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